Development of a mesoporous silica-based mid-infrared biosensor for the quantification FAME in jet fuel

Abstract

Jet-Kraftstoff in Europa wird oft durch dieselben Pipelines und Tanker wie Biodiesel transportiert. Dies führt zu einer Kontamination des Kerosins mit Fettsäuremethylestern (FSME), was die Qualität des Kraftstoffs mindert. Daher ist es wichtig, FSME im Kerosin vor der Verwendung zu überwachen und zu quantifizieren. Die Messung wird normalerweise off-line in Testlabors durchgeführt. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Biosensors zur Quantifizierung von FSME, der at-line verwendet werden kann, um die Prüfung effizienter zu gestalten. Das Enzym Lipase soll für die selektive Reaktion von FSME in einer komplexen Matrix eingesetzt werden. Im mittleren Infrarotbereich können Biosensoren erfolgreich realisiert werden, indem die bioaktive Substanz (Lipase) im evaneszenten Feld von abgeschwächten Totalreflexions- (ATR) Kristallen immobilisiert wird, wodurch eine Echtzeitüberwachung der katalysierten Reaktion ermöglicht wird. Die Effektivität dieses Ansatzes kann durch den Einsatz von mesoporösen Schichten verbessert werden, um die Oberfläche und damit die Anzahl der bioaktiven Enzyme im spektroskopisch untersuchten Volumen erheblich zu erhöhen.Diese Arbeit zielte darauf ab, die Substratquantifizierung enzymatischer Reaktionen zu verbessern, wobei insbesondere die Hydrolyse und Aminolyse mittels FTIR-Spektroskopie untersucht wurden. Besonderes Interesse galt der Optimierung der Aminolyse-Reaktion von FSME, die durch eine Lipase katalysiert wurde, als Grundlage für den Biosensor. Eine umfassende Untersuchung geeigneter Lipase-Substrat-Paare wurde durchgeführt, um die effizientesten Paarungen zu bestimmen. Weiterhin wurden mesoporöse Siliciumdioxid-Filme, die auf eine Porengröße von ca. 8 nm und eine Schichtdicke von 500 nm optimiert wurden, auf Si-ATR-Kristalle aufgebracht. Lipase-Enzyme wurden dann auf diesen Siliciumdioxid-Filmen immobilisiert, wobei deren einzigartige Struktur genutzt wurde, um die Enzymadsorption zu erleichtern und weiterhin als Anreicherungsschicht für den Analyten zu dienen. Dieser Ansatz zeigt die Anwendbarkeit von mesoporösen Siliciumdioxid-Film-beschichteten ATR-Kristallen zur Überwindung von Herausforderungen, die mit traditionellen Biosensoren in der IR-Spektroskopie verbunden sind.Mit einem funktionierenden enzymatischen System, einer angemessenen mesoporösen Schicht und erfolgreicher Immobilisierung zeigen diese Erkenntnisse vielversprechende Fortschritte für die Biosensortechnologie, indem mesoporöse Siliciumdioxid-Filme und ATR-FTIR-Spektroskopie kombiniert werden, nicht nur zur Quantifizierung und in-situ Reaktionsüberwachung mittels IR, sondern auch zur Verbesserung der enzymatischen Sensortechnologie.

Jet fuel in Europe is often transported though the same pipelines and tankers as biodiesel. This leads to the contamination of the kerosene with fatty acid methyl esters (FAME), which diminishes the quality of the fuel. Therefore, it is important to monitor and quantify the FAME in kerosene before usage. The measurement is usually performed off-line in test labs. The goal of this thesis is the development of a biosensor for the quantification of FAME which can be used at-line, making the testing more time efficient. The enzyme lipase should be used for selective reaction of FAME in a complex matrix. In the mid-infrared, biosensors can be successfully realized by immobilizing the bioactive substance (ipase) in the evanescent field of attenuated total reflection (ATR) crystals allowing for the real-time monitoring of the catalyzed reaction. The effectiveness of this approach can be enhanced by employing mesoporous layers to significantly increase the surface area and, thus, the number of bioactive enzymes in the spectroscopically probed volume.This study aimed to enhance the substrate quantification of enzymatic reactions, specifically investigating hydrolysis and aminolysis using FTIR spectroscopy. Of special interest was the optimization of the aminolysis reaction of FAME facilitated by a lipase as the foundation for the biosensor. A comprehensive study of suitable lipase-substrate pairs was performed to determine the most efficient pairings. Further, mesoporous silica films, which were optimized to attain pore sizes of approx. 8 nm and a layer thickness of 500 nm, were applied onto Si ATR crystals. Lipase enzymes were then immobilized onto these silica films, leveraging their unique structure to facilitate enzyme attachment and further serve as an enrichment layer for the analyte. This approach demonstrates the applicability of mesoporous silica film-coated ATR crystals in overcoming challenges associated with traditional biosensors in IR spectroscopy.With a functioning enzymatic system, an adequate mesoporous layer and successful immobilization, these findings hold promise for advancing biosensing capabilities by combining mesoporous silica films and ATR-FTIR spectroscopy, not only for quantification and in-situ reaction monitoring via IR but also enhancing enzymatic sensor technology.